电子世界轻松游--电子电路开心入门（四色全彩）/形形色色的科学

作者简介

木村诚聪，生于东京。日本大学工学院电气工程专业毕业。1985年进入日本IBM公司、主要从事磁铁记录装置的生产技术和产品开发。从1995年起在武藏工业大学从事数字信号处理的研究工作。2001年取得工学博士学位。在武藏工业大学担任兼职讲师后，从2007年开始在神奈川工科大学情报系情报科授课。著作有《影像处理应用系统》（共著、东京电机大学），《数码相机》（共著、Natsume社），《模拟电子电路入门》、《数字电子电路入门》（秀和系统）等。

内容简介

构成物质的原子核和电子：沿着轨道旋转的电子 你知道我们身边的种种物质是由什么组成的吗？ 所有物质都是由如图1所示的由原子核和电子组成的 原子构成的。电子围绕着原子核旋转，物质的种类是 由原子核中的所有质子和中子以及环绕在它们周围的 所有电子的数量决定的。如图1所示，在原子核周围 只有一个电子的物质称为氢。 围绕原子核旋转的电子并不是无秩序地旋转，而 是整齐地沿着轨道旋转。这些轨道如图2所示，离原 子核最近的称为K层、其外侧依次为L层、M层和N层。 各个轨道能够容纳一定数量的电子数，K层是2个、L 层是8个、M层是18个、N层中能够容纳32个电子旋转 。可以用原子核中所有的质子和中子以及电子层中电 子的个数来区别物质的种类。 用于电子电路的原子有几种呢？使用最普遍的是 硅(si)。硅元素中一共有14个电子，K层、L层是饱和 状态，M层中只有4个电子。这时，电子存在的最外侧 轨道称为最外层，最外层上的电子称为价电子。 除硅以外用于电子电路的原子有锗(Ge)和镓(Ga) 。锗是K层、L层、M层处于饱和状态，最外层N层上有 4个价电子(表1)。另外，镓和锗一样也是K层、L层、 M层处于饱和状态，最外层N层上有3个价电子。用最 外层上的价电子数决定其和其他原子是否容易结合。 在电子电路中使用的物质是由各种原子的化合物组成 的。 通过有没有能自由移动的电子和能带来判定导体 和绝缘体 物质中有导电的导体和不能导电的绝缘体。导体 和绝缘体有各种各样的种类，一般来说金属是导体， 塑料、橡胶、玻璃和瓷器是绝缘体。它们的差异是物 质中有无能够自由移动的电子和能带。 图1是铝(A1)的原子模型。铝是拥有13个电子的 原子。表示电子层的K层和L层上分别能够容纳2个和8 个电子，铝的K层和L层上的电子已经饱和了，其外层 能容纳18个电子的M层上还剩3个价电子。价电子不能 随便选择电子层。电子轨道中包括能级。将各轨道和 能级进行对比如图1所示。铝里边K层和L层已经被电 子填满了，所以其能带处于占满状态。可是M层还有 富余，所以能带也有空隙。这些能带空还是不空，也 就是最外层轨道上空与否是决定其是导体还是绝缘体 的关键。 图1是导体铝，其最外层原子轨道(电子层)M层上 有许多空位，这些轨道上的价电子可以自由移动。可 是如 所示，原子轨道上全都挤满了电子，没有任何 空位的情况下电子不能在同一轨道上自由移动，移至 其他轨道需要非常高的能量，所以实际上其价电子是 不能移动的。就像这样，我们可以通过有没有能够自 由移动的价电子或者有没有能够自由移动的能带来判 定物体是导体还是绝缘体。 自由电子同时流动形成电流 所谓的电流即是电子的流动。那么，在导体中如 果电子流动的话，就能形成电流了么？如果把导体中 到处活动的价电子称为自由电子，如图1所示，通常 ，自由电子在导体中到处移动，所以如果单看某一部 分的话，那些活动整体抵消之后就变成零了。单凭导 体自身的存在状态的话，可以说电流是不会产生的。 电流是自由电子在某个方向上流动时产生的。如 图2所示，如果在导体中安装正极和负极的话，自由 电子会同时向正极流动。自由电子同时定向流动的时 候，就形成了电流。这个电流可由下式计算： 电流，(A)=电荷Q(C)÷时间f(s) 电荷Q即通过导体横截面的自由电子的数量，1Q 约相当于6.24×10*18个电荷的电量。这是一个非常 大的数量，照此类推lA的电流是非常巨大的。电流的 单位安培是以发现“安培定则”(表示电流和磁场之 间的关系)的安德烈·玛丽·安培(Andre Marie Ampere)的名字命名的。 如图2所示，电流方向与自由电子的运动方向相 反。以前人们认为电是从正极流向负极的，后来，随 着观察电子技术的进步，人们才知道电流的方向和电 子流向的方向相反。确定电中存在正负极的是富兰克 林(B.Franklin)，如果电子的流向和极性相反，那么 之前的想法和理论都必须修正，因此我们定义电子和 电流的方向是相反的。 电流的驱动力：电压 所谓的电流是自由电子朝某一方向移动形成的。 那么，为了让电子移动该怎么做呢？水从高处向低处 流，电子也一样，如图1所示，在某一相同的位置， 电子完全不动，像右图所示存在高度差时，电子似乎 会从位置高的地方向位置低的地方流动。这里的位置 指的是拥有单位电荷的能量。这个能量是电位能，其 越高能量越大。我们把这个位能称为电位(electric potential)，高低差称为电位差(electric potential difference)。通常此电位差称为电压 (voltage)。 电压容易被想成是电的“压力”，是某个电位和 某个电位的差。可以想象这个差小的时候，电流的流 势不明显，差大的时候，电流的流势会相当大。电路 中，由高电位落到低电位的电子能够被再次拉回高电 位。举到高电位的东西，看起来是一种能量，称为电 动势(electromotive force)(圈2)。电动势越大的 话电位差就越大，电子势能也就越大，电流的流势也 就变强。从低电位举到高电位的电动势需要相当的能 量。也就是说因为电子的电荷是负的，所以从电子的 角度来看的话，请注意其正向能量是变低的。 电压的定义是“对1库仑(C)的电荷做1焦耳(J)的 功，形成的电位差是1伏特(V)”。伏特(V)这个单位 是以19世纪发明电池的亚历山德罗·伏打 (Alessandro G.A.Volta)的名字命名的。 P2-8